DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57623-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40089482
تاريخ النشر: 2025-03-15
المؤلف: Oles Shtanko وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الكم ذات الجسيمات المتعددة
النتائج
في هذه الدراسة، نحقق في ديناميات التوطين في الأنظمة متعددة الجسيمات (MBL) ونستخرج تكاملات الحركة المحلية (LIOMs) في أنظمة الدوران أحادية البعد (1D) وثنائية البعد (2D) باستخدام دوائر كمومية تصل إلى 124 كيوبت وعمق 60. تعتمد طريقتنا على الحجم الكبير للمعالج الكمومي للتخفيف من تأثيرات الحجم المحدود في الأنظمة ثنائية البعد، مما يسمح بإجراء قياسات واسعة عبر أكثر من 350,000 دائرة رقمية فريدة. نقوم بتنفيذ سير عمل مخصص لتخفيف الأخطاء لمعالجة ضوضاء الجهاز، مما يضمن نتائج قوية. يتم نمذجة نظام الدوران على نموذج إيسين المدفوع ويخضع لديناميات فلوكيت من خلال دورة تطور موحد تتكون من بوابات تحكم ثنائية الكيوبت وبوابات كيوبت مفردة معلمة.
تشير نتائجنا إلى زاوية حرجة $\theta_c \approx 0.16\pi$ التي تحدد الانتقال بين الأنظمة الإرجودية وMBL في الأنظمة أحادية البعد. بالنسبة للزوايا $\theta < \theta_c$، يظهر النظام ديناميات قابلة للتكامل، بينما بالنسبة لـ $\theta_c < \theta \leq \pi/2$، تسود السلوكيات الفوضوية، مما يؤدي إلى انتشار لا رجعة فيه للمشغلين المحليين. نحن نتحقق من هذه التوقعات من خلال محاكاة عددية كلاسيكية ونظهر بعد ذلك قدرة الجهاز الكمومي على إعادة إنتاج سلوك MBL، واستكشاف هيكل LIOMs في 1D، وتوسيع تجاربنا إلى أنظمة 2D.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون نتائجهم حول علامات كسر الإرجودية في سلسلة دوران أحادية البعد مكونة من 104 كيوبت تم تهيئتها في حالة مضادة للمغناطيسية. يحددون علامتين رئيسيتين: الحفاظ على الذاكرة من خلال عدم توازن الدوران والشذوذات في مصفوفة كثافة الجسيم الواحد (OPDM). يظهر عدم توازن الدوران، المحدد كـ \( I = \frac{n_1 – n_0}{n_1 + n_0} \)، أنه بالنسبة للزوايا العرضية الصغيرة (مثل \( \theta = 0.05\pi \))، يحتفظ النظام بذاكرة حالته الأولية عبر عدة دورات فلوكيت، مما يدل على التوطين في الأنظمة متعددة الجسيمات (MBL). على العكس، عند الزوايا الأكبر (مثل \( \theta = 0.3\pi \))، يتلاشى عدم توازن الدوران بسرعة، مما يشير إلى انتقال إلى نظام إرجودي يتميز بخلط المعلومات الكمومية.
تحلل OPDM تدعم هذه النتائج من خلال الكشف عن انقطاع في الطيف للزوايا الصغيرة، مما يدل على وجود كوانتا مستقرة في نظام MBL، بينما يختفي هذا الفجوة عند الزوايا الأكبر، متماشياً مع السلوك الإرجودي. يقدم المؤلفون معلمة تباين الفجوة \( C = 1 – \frac{\rho_c}{\rho_p} \) لالتقاط توقيعات طيفية لـ MBL بشكل قوي، حتى في وجود الضوضاء. كما يطورون بروتوكولاً لبناء تكاملات الحركة المحلية (LIOMs) من ديناميات الزمن، مما يظهر إمكانيات الأجهزة الكمومية لدراسة الأنظمة غير المنتظمة. تشير النتائج إلى أنه بينما يتناول العمل الحالي بشكل أساسي MBL، يمكن أن تستفيد الأبحاث المستقبلية من هذه التقنيات لاستكشاف أسئلة أوسع في فيزياء الأنظمة متعددة الجسيمات، بما في ذلك التوازن الحراري واستقرار الأطوار الكمومية غير التوازنية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57623-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40089482
Publication Date: 2025-03-15
Author(s): Oles Shtanko et al.
Primary Topic: Quantum many-body systems
Results
In this study, we investigate many-body localization (MBL) dynamics and extract localized integrals of motion (LIOMs) in one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) spin systems using quantum circuits with up to 124 qubits and a depth of 60. Our approach leverages the large scale of the quantum processor to mitigate finite-size effects in 2D systems, allowing for extensive measurements across over 350,000 unique digital circuits. We implement a tailored error-mitigation workflow to address device noise, ensuring robust results. The spin system is modeled after the kicked Ising model and undergoes Floquet dynamics through a unitary evolution cycle consisting of two-qubit controlled-Z gates and parameterized single-qubit gates.
Our findings indicate a critical angle $\theta_c \approx 0.16\pi$ that delineates the transition between ergodic and MBL regimes in 1D systems. For angles $\theta < \theta_c$, the system exhibits integrable dynamics, while for $\theta_c < \theta \leq \pi/2$, chaotic behavior prevails, leading to the irreversible spreading of local operators. We validate these predictions through classical numerical simulations and subsequently demonstrate the quantum device's capability to reproduce MBL behavior, explore the structure of LIOMs in 1D, and extend our experiments to 2D systems.
Discussion
In this section, the authors discuss their findings on the signatures of ergodicity breaking in a 104-qubit 1D spin chain initialized in an antiferromagnetic state. They identify two primary signatures: the preservation of memory through spin imbalance and anomalies in the one-particle density matrix (OPDM). The spin imbalance, defined as \( I = \frac{n_1 – n_0}{n_1 + n_0} \), shows that for small transverse angles (e.g., \( \theta = 0.05\pi \)), the system retains memory of its initial state over multiple Floquet cycles, indicative of many-body localization (MBL). Conversely, at larger angles (e.g., \( \theta = 0.3\pi \)), the spin imbalance decays rapidly, suggesting a transition to an ergodic regime characterized by quantum information scrambling.
The OPDM analysis further corroborates these findings by revealing a discontinuity in the spectrum for small angles, indicative of stable quasiparticles in the MBL regime, while this gap vanishes for larger angles, aligning with ergodic behavior. The authors introduce a gap contrast parameter \( C = 1 – \frac{\rho_c}{\rho_p} \) to robustly capture spectral signatures of MBL, even in the presence of noise. They also develop a protocol for constructing local integrals of motion (LIOMs) from time dynamics, demonstrating the potential of quantum hardware to study disordered systems. The results suggest that while the current work primarily addresses MBL, future research could leverage these techniques to explore broader questions in many-body physics, including thermalization and the stability of non-equilibrium quantum phases.